1、第三章 逻辑门电路,江苏技术师范学院 电信学院 2009.3,第三章 门电路,3.2 半导体二极管门电路,3.3 CMOS门电路,3.4 其他类型的MOS集成电路*,3.1 概述,3.6 其他类型的双极型数字集成电路*,3.7 Bi-CMOS门电路*,3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*,3.5 TTL门电路,教 学 要 求,1.了解二极管、三极管的开关特性； 2.了解TTL与非门的负载特性，理解其参数的物理含义及测量方法； 3.掌握OC门、TSL门的功能及逻辑符号； 4.了解CMOS门电路的特点； 5.了解TTL、COMS门的驱动问题。,3.1 概 述,门电路：实现基本运算、复合运算的单
2、元电路，如与门、与非门、或门 ,门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1、0,获得高、低电平的基本原理,高/低电平都允许有一定的变化范围,正逻辑：高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0。 负逻辑：高电平表示逻辑0，低电平表示逻辑1。,一、集成电路（Integrated Circuits）,3.5 TTL集成逻辑门电路,分类：双极型：TTL、ECL、IIL单极型：NMOS、PMOS、CMOS,概念：把多个元器件集成在一个芯片上形成一定功能的电路。,特点：负载能力强，抗干扰性能好、功耗较低、开关速度快,发展：SSI、MSI、LSI、VLSI 、ULSI、SOC低速 、高速,1.三极管的输入特性曲线（NPN
3、）,VON ：开启电压硅管，0.5 0.7V 锗管，0.2 0.3V近似认为: VBE VON iB = 0 VBE VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定,二 、 TTL与非门集成电路,2.三极管的输出特性（NPN）,固定一个IB值，即得一条曲线，在VCE 0.7V以后，基本为水平直线,3.双极型三极管的基本开关电路,只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL,4.三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,5.三极管的动态开关特性,从二极管已知，PN结存在电容效应。在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞
4、后于VI。,6.TTL与非门集成电路芯片,与非门的芯片内部电路,TTL芯片7400引脚图,常用TTL与非门集成电路芯片有7400, 7400是一 种有四个二输入端与非门的芯片。 7400引脚图,7.其他逻辑功能的门电路 （1）非门,（2） 或非 门,（3）与或非门,三、 TTL集成与非门参数,输出高电平、输出低电平 输入高电平、输入低电平（开门电平、关门电平） 灌电流、拉电流 输入短路电流、输入开路电流 噪声容限 扇出数 功耗延迟积,我们将要学习：,电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。,TTL反相器电路的电压传输特性,1 曲线分析,1.电压传输特性,T5饱和，称开门,T5截止，
5、称关门,电压传输特性测量方法,2 结合电压传输特性介绍几个参数,（4）输入低电平：VIL 关门电平UOFF ：指的是在保证输出电压为高电平时，允许输入低电平的最大值。 VIL典型值为0.3V UOFF典型值为0.8V,（3）输入高电平：VIH 开门电平UON：指的是输出低电平时，允许输入高电平的最小值。 VIH典型值为3.6V UON典型值为1.8V,（5）输入噪声容限,输入低电平噪声容限,输入高电平噪声容限,在保证输出逻辑高、低电平不变的条件下，输入电平的允许波动范围称输入噪声容限,2.输入特性,输入电压和输入电流之间的关系曲线。,（1） 输入短路电流IIS（输入低电平电流IIL）,当UIL
6、 = 0V时由输入端流出的电流。,（2） 输入漏电流IIH（输入高电平电流）,指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，流入该输入端的电流，约10A左右。,假定输入电流II流入T1发射极时方向为正，反之为负。,前级驱动门导通时，IIS将灌入前级门，称为灌电流负载。,前级驱动门截止时， IIH从前级门流出，称为拉电流负载。,3.输入端负载特性,TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随RI 的变化而变化的关系曲线。,RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。,RI 较小时，关门，输出高电平；关门电阻ROFF ： ROFF 0.7k,RI 较大时，开门，输出低电平；开门电阻RON： RON 2
7、k,ROFF,RON,RI 悬空时？,1,IOH,IIH,IIH,IIH,4. 输出特性,指输出电压与输出电流之间的关系曲线。,(1) 输出高电平时的输出特性,负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。,拉电流负载,0,IOL,IIL,IIL,IIL,(2) 输出低电平时的输出特性,图2-14 输出低电平时的输出特性 （a）电路 （b）特性曲线,负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。,一般灌电流在20 mA以下时，电路可以正常工作。典型TTL门电路的灌电流负载为12.8 mA。,灌电流负载,扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，NO表示可驱动同类门的个数。NO分为两种情况，一是灌电流
8、负载NOL，二是拉电流负载NOH。NO=min（NOL，NOH）,IOLmax为驱动门的最大允许灌电流，IIL是一个负载门灌入本级的电流。 IOHmax为驱动门的最大允许拉电流，IIH是负载门高电平输入电流。,功耗有静态功耗和动态功耗之分。动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有空载导通功耗PON和空载截止功耗POFF两个参数。1. 空载导通功耗PON指的是输出端开路、输入端全部悬空、非门导通时的功耗。标准TTL芯片PON 50mW。2. 空载截止功耗POFF指的是输出端开路、输入端接地、非门截止时的功耗。标准TTL芯片POFF25mW。,平均传输
9、延迟时间tpd：,平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延迟了多少时间。,导通延迟时间tPHL ：输入波形上升沿的50%幅值处到输出波形下降沿50% 幅值处所需要的时间。,截止延迟时间tPLH：从输入波形下降沿50% 幅值处到输出波形上升沿50% 幅值处所需要的时间。,通常tPLHtPHL，tpd越小，电路的开关速度越高。一般tpd=10ns40ns。,7. 功耗延迟积,门的平均延迟时间tpd和空载导通功耗PON的乘积叫功耗延迟积或功耗速度积。 M=PONtpd M是全面衡量一个门电路品质的重要指标。M越小， 其品质越高。 ,74
10、系列TTL与非门的传输延迟时间tpd和功耗PON,例：扇出系数（Fan-out）试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。,TTL反相器静态输入输出特性应用举例,四、集电极开路的门电路,（1）推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用,OC门,（2）OC门的结构特点与逻辑符号,OC门工作时需外接电源和电阻,OC门可以实现线与,OC门实现的线与,五、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）,三态门的用途,一、MOS管简介,增强型耗尽型,3.3 CMOS门电路,特性曲线,MOS管的基本开关电路,二、 CMOS反相器的工
11、作原理 1.电路结构,2.电压、电流传输特性,3.CMOS电路的特点,电源电压工作范围大 电源利用率高(约为1） 抗干扰能力强 功耗小 扇出系数很大 输入阻抗大,三、其他类型的CMOS门电路 1.其他逻辑功能的门电路,与非门,或非门,2.漏极开路输出门电路（OD门）,3.三态输出门,4. CMOS传输门及双向模拟开关,传输门,1 符号 传输门：传输模拟信号的门电路模拟开关,2 功能 c=0 截止; c=1 导通,双向模拟开关,3.8使用TTL和CMOS门电路应注意的问题,一 使用TTL应注意的问题,1、 多余函数或不用输入端的处理方法（与门）, 悬空 适合干扰小的场合, 并联 加重前级门的负载
12、, 接电源 电气性能比较好,？,或门、与非门等的不用输入端？,二 使用CMOS应注意的问题,2、TTL的不同系列,74系列（民用）：74、74LS、74AS、74ALS等,54系列（军用）：54、54LS、54AS、54ALS等,1 、多余端的处理：不允许悬空，按功能接“1”或“0”,2 、防静电,3、CMOS的不同系列：4000 、74HC/HCT 、74AHC/AHCT 、74VHC/VHCT 等,TTL门驱动CMOS门,系统设计的需要，将从速度、复杂性和功能等方面选择合适的系列芯片，或者从几种系列中选择性能最佳的芯片，组装起来。在不同逻辑器件混合使用的系统中，常常碰到不同系列逻辑芯片的接
13、口问题。,CMOS门驱动TTL门,门电路带负载的接口电路,三、TTL电路与CMOS电路的接口,（1）驱动能力： 驱动门为负载门提供足够大的灌电流和拉电流驱动门与负载门电流之间的驱动应满足：IOH(max)nIIH(max) ，IOL(max)mIIL(max)（n和m是负载电流的个数）,1、接口电路应考虑的问题,（2）电平匹配： 驱动门的输出电压应在负载门所要求的输入电压范围内。驱动门与负载门之间的逻辑电平应满足：UOH(min)UIH(min)，UOL(max)UIL(max)。,2、TTL门驱动CMOS门,TTL采用74LS系列，CMOS采用74HC系列，且电源电压相同都为5V。只有一个条
14、件不满足，TTL门电路输出高电平2.7V，CMOS电路的输入高电平要求高于3.5V。,接一上拉电阻Rx，使TTL门电路的输出高电平升高至电源电压，以实现与74HC电路的兼容。,TTL门驱动CMOS门,CMOS电源UDD高于TTL电源UCC,方案一：选用具有电平偏移功能的CMOS电路，该电路有两个电源输入端：UCC=5V、UDD=10V时，输入接收TTL电平1.5V/3.5V，输出CMOS电平9V/1V，满足CMOS电路对输入电压的要求。,方案二：采用TTL的OC门，将OC门T5管的外接电阻RL直接与CMOS电源UDD连接。,3、CMOS门驱动TTL门,4000系列CMOS电路驱动74系列TTL
15、电路：CMOS门的驱动能力不满足TTL门的要求。为解决这个问题，有多种方法。4000系列CMOS电路驱动74LS系列TTL电路：驱动一个TTL门时，可以直接相连。如果驱动门数增加，需要提高CMOS的驱动能力。74HC系列、74HCT系列CMOS电路驱动TTL电路：无论负载门是74系列还是74LS系列，都可以直接相连，应计算驱动门的个数。,CMOS门驱动TTL门,增加一级CMOS驱动器，如选择同相驱动器CC4010 。,采用漏极开路的CMOS驱动器，如CC40107 。,将CMOS门输出经分立元件驱动电路，实现电流的放大，再驱动TTL负载门。,4、门电路带其它负载,设LED的工作电流为ID、LE
16、D的正向压降为UD。,输出高有效,限流电阻R的选择如下：,输出低有效,限流电阻R的选择如下：,本章学习重点在TTL和CMOS集成电路的外部特性，主要有两个方面：一是输入与输出之间的逻辑功能；二是外部电气特性及其主要参数。TTL电路输入级采用多发射极晶体管，输出级采用推拉式结构，工作速度快，负载能力强，是一种目前使用广泛的集成逻辑门。CMOS集成电路具有功耗低、扇出大、电源电压范围宽、抗干扰能力强、集成度高等一系列特点，在整个数字集成电路中占据主导地位。在逻辑门电路的实际应用中，经常会碰到不同类型的门电路之间、门电路与负载之间的接口设计问题，正确分析和解决这些问题，是数字电路设计工作者应当掌握的。,小 结,1、以下电路均为TTL电路，试写出各电路的输出表达式；,2、若以下电路均为CMOS电路,写出各电路的输出表达式。,500,
